Оптическая микроскопия для наблюдения за кристаллической морфологией полимеров
Строение и принцип работы поляризационного микроскопа, применение поляризационного микроскопа.
Полимерные сферолиты готовили методом плавления, наблюдали за морфологией сферолитов, полученных при различных температурах кристаллизации, и измеряли радиус полимерных сферолитов.
Кристаллы и аморфные формы представляют собой две основные формы полимерных агрегатов, и многие полимеры могут кристаллизоваться. Практические характеристики кристаллических полимерных материалов (такие как оптическая прозрачность, ударная вязкость и т. д.) тесно связаны с кристаллической морфологией, размером зерна и степенью совершенства внутри материала. Поэтому изучение морфологии кристаллов полимеров имеет важное теоретическое и практическое значение. Полимеры образуют различные кристаллы в различных условиях, такие как монокристаллы, сферолиты, волокнистые кристаллы и т. д. При охлаждении полимера из расплавленного состояния в основном образуются сферолиты, что является наиболее распространенной формой кристаллизации полимера. Производительность оказывает большое влияние.
Сферолиты названы в честь того, что ядро кристалла растет радиально, образуя сферическую форму, которая представляет собой «трехмерную структуру». Но его также можно рассматривать как дискообразную «двумерную структуру» в чрезвычайно тонком образце, а сферолит — это многогранник. Элементарная ячейка состоит из молекулярных цепей, стопка элементарной ячейки представляет собой пластину, стопка пластин представляет собой пучок микроволокон, а пучок микроволокон растет в радиальном направлении, образуя сферолит. Имеются кристаллические дефекты между пластинами и аморфные включения между пучками микроволокон. Размер сферолитов зависит от молекулярной структуры полимера и условий кристаллизации. Поэтому размер сферолитов сильно варьирует в зависимости от типа полимера и условий кристаллизации. Диаметр может варьироваться от микрометров до миллиметров или даже сантиметров. Сферолиты диспергированы в аморфном полимере. Вообще говоря, аморфная фаза представляет собой непрерывную фазу, и периферии сферолитов могут пересекаться, образуя неправильный многоугольник. Сферолиты обладают оптической анизотропией и преломляют свет, поэтому их можно наблюдать в поляризационный микроскоп. Полимерные сферолиты демонстрируют характерное черное изображение перекрестного затухания между скрещенными поляризаторами поляризационного микроскопа. Когда некоторые полимеры образуют сферолиты, спиральное искажение пластины по мере ее роста по радиусу позволяет увидеть концентрические изображения экстинкции под поляризационным микроскопом.
Оптимальное разрешение микроскопа в поляризованном свете составляет 200 нм, а эффективное увеличение превышает от 500 до 1000 раз. В сочетании с электронным микроскопом и методом рентгеновской дифракции он может предоставить более полную информацию о кристаллической структуре.
Свет представляет собой электромагнитную волну или поперечную волну, и направление ее распространения перпендикулярно направлению вибрации. Но для естественного света направления его вибрации распределены равномерно, и ни одно направление не преобладает. Но после отражения, преломления или селективного поглощения естественный свет может быть преобразован в световые волны, вибрирующие только в одном направлении, а именно в поляризованный свет. Пучок естественного света проходит через два поляризатора. Если две оси поляризации перпендикулярны друг другу, свет не может пройти. При распространении световой волны в анизотропной среде скорость ее распространения меняется в зависимости от направления вибрации, соответственно изменяется и значение показателя преломления. Как правило, возникает двойное лучепреломление, и оно распадается на две части с взаимно перпендикулярными направлениями колебаний, разными скоростями распространения и разными показателями преломления. полосы поляризованного света. Когда два поляризованных света проходят через второй поляризатор, может пройти только свет в направлении, параллельном второй оси поляризации. Два проходящих луча будут интерферировать из-за разницы оптических путей.
При наблюдении под скрещенным поляризационным микроскопом аморфный полимер не имеет двойного лучепреломления из-за его изотропии, свет блокируется ортогональным поляризатором, а поле зрения темное. Сферолиты будут демонстрировать уникальное явление исчезновения черного креста, и два плеча черного креста параллельны направлениям двух осей поляризации. За исключением направления вибрации поляризатора, остальной свет появляется из-за преломления. На рисунках 2-7 представлены фотографии сферолитов изотактического полипропилена.
В условиях поляризованного света также можно наблюдать морфологию кристаллов, определять размер кристаллитов и изучать плеохроизм кристаллов.
1) Отрежьте небольшой кусочек полипропиленовой пленки или гранулы размером от 1/5 до 1/4, положите его на чистое предметное стекло, держите подальше от края предметного стекла и накройте образец покровным стеклом.
2) Предварительно нагрейте таблеточный пресс до 240 градусов, расплавьте образец полипропилена на горячей плите (образец полностью прозрачен), нажмите, чтобы сформировать пленку в течение 2 минут, а затем быстро перенесите его на горячую 50 градусов. стадии его кристаллизации. Те же образцы кристаллизовались при 100° и 0° после плавления.
2) Отрегулируйте микроскоп
1) Включите дуговую ртутную лампу на 10 мин, чтобы получить стабильную интенсивность света, и вставьте монохроматический фильтр.
2) Снимите окуляр микроскопа и установите поляризатор и анализатор под углом 90 градусов. Наблюдая в тубус микроскопа, отрегулируйте положение лампы и зеркала, при необходимости отрегулируйте анализатор, чтобы добиться полного погасания (поле зрения максимально темное).
3) Измерьте диаметр сферолита
Кристаллические чешуйки полимера наблюдают под ортогональным микроскопом и измеряют диаметр сферолитов с помощью шкалы окуляра микроскопа. Этапы определения следующие:
1) Вставьте окуляр с градуированной линейкой в оправу объектива и поместите микролинейку предметного столика на предметный столик так, чтобы в поле зрения одновременно были видны две линейки.
2) Отрегулируйте фокусное расстояние так, чтобы две ножки располагались параллельно, шкала была четкой, а две нулевые точки совпадали друг с другом, и можно было рассчитать значение шкалы окуляра.
3) Снимите микролинейку предметного столика, поместите предсказанный образец в центр поля зрения предметного столика, наблюдайте и запишите форму кристалла, прочтите шкалу сферолита на шкале окуляра, а затем рассчитайте диаметр сферолита.
